پیستون چیست ؟وظیفه پیستون ،انواع پیستون ، پیستون و شاتون در موتور
پیستون چیست ؟ وظیفه پیستون ،پیستون و شاتون ،انواع پیستون ،عکس پیستون ،رینگ های پیستون ،آلیاژ پیستون ،ساخت پیستون ،پیستون موتور سیکلت
قطعه استوانه شکلی است که در داخل سیلندر با اتصال داشتن به شاتون حرکت رفت و برگشتی دارد.پیستون قطعه اصلی موتور است و زمان های موتور را به وجود می آورد.ضمنا نیرو های تراکمی و انبساطی ناشی از احتراق را تحمل می کند.
پیستون
شرح کلی پیستون :
در حرکت انبساط تا ۱۸۰۰۰ نیوتون (۴۰۰۰ پوند) نیرو به طور ناگهانی به کف پیستون وارد می شود.وقتی با سرعت زیاد رانندگی می کنید این اتفاق در هر سیلندر ۳۰ تا ۴۰ بار در ثانیه رخ می دهد.دمای کف پیستون به ۲۲۰۰ درجه سانتی گراد(۴۰۰۰ درجه فارنهایت) یا بیشتر می رسد.
پیستون از آلیاژ آلومینیوم ساخته می شود (آلیاژ آلومینیوم مخلوطی از آلومینیوم و فلز های دیگر است)،زیرا فلز سبکی است.وزن هر پیستون در حدود ۴۵۰/۰ کیلو گرم (۱پوند)است.دامنه یا قسمت پایین پیستون را می تراشند تا هم وزن آن کاهش یابد و هم جا برای وزنه های تعادل میل لنگ باز شود.
قطر پیستون های موتور خودرو بین ۷۶ تا ۱۲۲ میلی متر (۳ تا ۴ اینچ) تغییر می کند.همه پیستون ها باید هم وزن باشند تا موتور دچار لرزش نشود.
پیستون های آلومینیومی را به یکی از دو روش ریختگری وآهنگری می سازند.
مقایسه دمای کار پیستون های ریختگری و دمای کار پیستون های آهنگری
پیستون های آهنگری شده را با استفاده از لقمه های آلومینیوم آلیاژی می سازند.
پس از ماشین کاری پیستون آن را طبق روال خاصی گرم و سرد می کنند و به اصطلاح روی آن عملیات گرمایی انجام می دهند تا خواص مطلوب را پیدا کند.پس از این مرحله روی بسیاری از پیستون ها را با لایه نازکی از آب قلع یا مواد دیگر می پوشانند. در نتیجه هنگام راه اندازی موتور سطح پیستون ساییده نمی شود.
در بیشتر موتور های پر قدرت از پیستون های آهنگری شده استفاده می شود.پیستون های آهنگری شده در مقایسه با پیستون های ریخته گری متراکم تر و محکم ترند و در دمای پایین تری کار میکنند زیرا گرما را بهتر انتقال می دهند.
اندازه های مختلف یک پیستون نمونه وار در شکل زیر داده شده است.
در بعضی پیستون ها دامنه شیب دار است (قطر پیستون در D بیشتر از C است)
قطر پیستون در ناحیه سر از همه جا کمتر است. در نتیجه در بالای پیستون فضای بیشتری برای انبساط وجود دارد.بعضی پیستون ها از محور گژن پین تا پایین دامنه،شیب دارند.در این نوع پیستون،قطر در ناحیه پایین دامنه از همه جا بیشتر است.
خلاصی پیستون :
خلاصی پیستون (یا خلاصی دامنه پیستون) عبارت است از فاصله بین جدار سیلندر و دامنه پیستون
پیستون طوری طراحی میشود که،حتی اگر خیلی داغ شود،باز هم به اندازه ای انبساط پیدانکند که به سیلندر بچسپد
این فاصله معمولا بین ۰۲۵/۰ تا ۱۰/۰ میلیمتر (۰۰۱/۰ تا ۰۰۴/۰ اینچ) است.
وقتی موتور روشن است پیستون و رینگ ها روی لایه ای از روغن حرکت می کنند که این فاصله را پر کرده است.اگر خلاصی پیستون خیلی کم باشد،در نتیجه اصطکاک زیاد وسایش شدید،توان موتور کاهش می یابد.در این حالت ممکن است پیستون به جداره سیلندر بچسپد و به اصطلاح گریپاژ کند.اگر خلاصی پیستون بیش از حد باشد سبب زدن پیستون در کورس قدرت می شود.
کنترل انبساط پیستون :
پیستون های آلومینیومی در نتیجه افزایش دما بیشتر از سیلندر های چدنی منبسط می شوند و همین امر ممکن است سبب از بین رفتن خلاصی پیستون شود.پیستون از جدار سیلندر بیشتر گرم می شود و همین امر سبب می شود که باز هم بیشتر انبساط یابد.اما اگر کف پیستون خیلی داغ شود ممکن است سبب خود سوزی شود در نتیجه ترتیب احتراق به هم می خورد و ممکن است موتور آسیب ببیند.
یکی از راه های کنترل انبساط پیستون افزایش آهنگ دفع گرما از کف پیستون است.هرچه کف پیستون ضخیم تر باشد
گرمای بیشتری دفع می شود و پیستون خنک تر کار می کند.اما افزایش ضخامت کف پیستون سبب افزایش وزن آن می شود.همچنین اگر کف پیستون خیلی سرد کار کند،لایه های مخلوط هوا-سوخت مجاور آن نمی سوزد.مخلوط هوا-سوخت نسوخته از طریق اگزوز در محیط پخش می شود.در نتیجه بازده موتور کاهش و دود آن افزایش می یابد.
برای کمک کردن به کنترل پیستون بیشتر پیستون ها را طوری تراشکاری می کنند که اتاقک آنها اندکی بیضوی شکل شود
وقتی پیستون اتاقک بیضوی سرد است ، شکل بیضوی دارد.وقتی این نوع پیستون گرم می شود دامنه پیستون انبساط می یابد و پیستون گرد می شود.
وقتی پیستون های اتاقک بیضوی گرم می شوند شکل بیضوی خود را از دست می دهند و گرد می شوند.
پیستون های بیضی شکل که برای جلوگیری از چسپیدن پیستون به سیلندر(گریپاژ)ساخته می شود با ابعاد خاصی طرح می گردد.به طوری که در دیده می شود قطر پیستون که در محور تکیه گاه گژن پین قرار دارد به اندازه۰۰۶/۰ اینچ یا ۱۵/۰ میلیمتر از قطر دیگر کوچکتر است و قطر پیستون در روی محور ۴۵ درجه ای نسبت به محور ۰۰۳٫۰ اینچ یا ۰۷۵/۰ میلیمتر کوچکتر از بزرگترین قطر پیستون است.
راه دیگر کنترل انبساط پیستون تعبیه یک پشت بند فولادی یا پیستون با تیغه محافظ اینوار(INVAR) (شکل) در پیستون است.وقتی پیستون گرم میشود این تقویت کننده انبساط کف پیستون و برامدگی بوش گژن پین را محدود می کند.
فلز اینوار آلیاژ فولاد نیکل دار است که از ۳۶% نیکل ، ۸/۶۳% آهن ، ۲/۰ % کربن تشکیل می شود.این آلیاژ در حرارت های زیاد دارای انبساط بسیار کمی است و لذا از انبساط پیستون آلومینیومی جلوگیری می کند.
شکل کف پیستون :
در بسیاری از موتور ها از پیستون کف تخت استفاده می شود.
اما شکل کف پیستون ممکن است مطابق با طرح موتور تغییر کند.شکل کف پیستون مطابق با شکل سر سیلندر و شکل محفظه احتراق نیز تغییر می کند.(شکل ۸)
شکل ۸ پیستون موتور های جدید
در بعضی از پیستون ها کف پیستون فنجانی یا فرورفتگی جای سوپاپ دارد که وقتی سوپاپ ها باز می شوند می توانند در آن حرکت کنند.در بعضی دیگر از پیستون ها سر پیستون گنبدی یا به شکل های دیگر است تا تلاتم در محفظه احتراق افزایش یابد.
شکاف در پیستون ها :
شکاف افقی پیستون ها در زیر رینگ ها می باشد و به عنوان سد حرارتی ، از هدایت گرمای قسمت رینگ ها به بدنه پیستون-که دارای حداقل بازی نسبت به سیلندر است-جلوگیری کند.
پیستون های شکاف دار T شکل، دارای دو شیار افقی و عمودی هستند که شکاف افقی آنها نزدیک سر پیستون در زیر رینگ ها و شکاف عمودی انها در قسمت راهنمای پیستون قرار دارد.در طرف مقابل،فقط یک شکاف افقی ایجاد می شود.(شکل ۹).
شکل ۹ انواع شکاف های روی بدنه پیستون
شیار عمودی ضمن ایجاد حالت ارتجاعی در بدنه پیستون در موقع انبساط قسمت راهنمای پیستون را محافظت می کند.شیار در مقابل انبساط زیاد عکس العمل نشان داده،بر بدنه پیستون،در قسمتی که محور های گژن پین قرار دارد، بار زیادی وارد نمی شود.بیشترین نیرو به دامنه فعال پیستون که در سطوح عمود بر تکیه گاه گژن پین است وارد می شود.
اندازه شکاف عمودی پیستون،نشان دهنده مقدار ارتجاعی بودن آن است.حالت ارتجاعی بیش از اندازه پیستون باعث لرزش و تکان زیاد پیستون در سیلندر می شود و نیز آن را از حالت اصلی خود خارج می کند.در چنین حالتی نشتی گاز از کناره های پیستون،افزایش یافته روغن سوزی موتور زیاد تر می شود. اگر شیار روی پیستون کاملا عمود باشد ، در سیلندر خط ایجاد می شود، و در دیواره برآمدگی به وجود می آید ؛ لذا شیار را کمی مایل می سازند
خارج از مرکزی گژن پین :
زدن پیستون صدایی است که از جا به جا شدن پیستون از یک طرف سیلندر یه طرف دیگر آن، در آغاز حرکت انبساط،ناشی می شود.
برای جلوگیری از زدن پیستون در بسیاری از موتور ها از پیستون هایی استفاده می شود که گژن پین آنها اندکی خارج از مرکز است.این خارج از مرکزی به طرف دامنه پیستون است که منزله سطح فشار گیر اصلی (شکل ۱۰) عمل می کند.
اگر گژن پین به سمت سطح فشار گیر اصلی متمایل باشد ، فشار احتراق سبب می شود پیستون به سمت راست کج شود و زدن پیستون کاهش یابد، R شعاع پیستون و O خروج از مرکز گژن پین است
این همان سطحی است در حین حرکت انبساط بیشترین تماس را با جدار سیلندر پیدا می کند.
با نصب خارج از مرکز گژن پین پیستون نوعی حرکت نوسانی انجام می دهد و بر یک طرف آن نسبت به طرف دیگر فشار بیشتری وارد می شود. در شکل بالا فشار ناشی از احتراق سبب می شود که پیستون در حال حرکت به سمت بالا وقتی به نقطه مرگ بالایی نزدیک می شود اندکی به طرف راست کج شود.در نتیجه سر پایینی سطح فشار گیر اصلی با جداره سیلندر تماس پیدا می کند.پس از آنکه پیستون از نقطه مرگ بالایی گذشت،صاف می شود.در این هنگام سطح فشار گیر اصلی به طور کامل با جداره سیلندر تماس پیدا می کند.این تماس نوعی عمل روبشی است که زدن پیستون را به حد اقل می رساند.در نتیجه همین عمل موتور آرام تر کار می کند و دوام پیستون افزایش پیدا می کند.زدن پیستون معمولا فقط در موتور های کهنه ای مشاهده می شود که جدار سیلندر های آنها ساییده شده و دامنه پیستون آنها ساییده و یا شکسته شده است.
«وقتی از جلو به موتور نگاه می کنیم به طرف چپ سیلندر و پیستون نیروی زیاد تری اعمال می شود» لذا به طرف چپ سیلندر و پیستون،طرف فشاری و به طرف دیگر آن طرف کم فشار می گویند.برخی از کارخانه های اتومبیل سلزی توصیه می کنند که شکاف T شکل پیستون در طرف کم فشار قرار گیرد تا در اثر نیروی زیاد، در پیستون تغییر شکل به وجود نیاید.در تمام موتور ها که شاتون هایشان دارای سوراخ روغن کاری جانبی هستند این سوراخ را به طرف فشاری سیلندر قرار می دهند تا دیواره را به خوبی روغن پاشی کند.از طرف دیگر در سرعت های زیاد نیرو های اینرسی شاتون موثر بر پیستون بیشتر از نیروی احتراق است و به طور متناوب در هر حرکت رفت و برگشتی به دو طرف سیلندر نیرو وارد می شود.یعنی وقتی پیستون به طرف پایین می رود به یک سمت آن و در حرکت بالا به طرف دیگرش نیروی اینرسی اثر می کند.بنابراین از نظر نیروی اینرسی هر دو طرف پیستون به یک نسبت فشرده می شود.ولی از نظر نیروی فشار احتراق ، هر دو طرف به یک نسبت به سیلندر فشرده نمی شوند.بنابراین بین دو نیروی فوق باید تفاوت قایل شد.نیروی اینرسی در سرعت های کم اندک است و نیروی احتراق در حالت درجا کار کردن موتور وقتی که بار خارجی از روی موتور برداشته شود حداقل است.